Reacción nuclear

En física nuclear y química nuclear , una reacción nuclear es un proceso en el que dos núcleos , o un núcleo y una partícula subatómica externa, colisionan para producir uno o más nucleidos nuevos . Por lo tanto, una reacción nuclear debe causar la transformación de al menos un nucleido en otro. Si un núcleo interactúa con otro núcleo o partícula, y luego se separan sin cambiar la naturaleza de ningún nucleido, el proceso se denomina simplemente dispersión nuclear , en lugar de reacción nuclear.

En principio, una reacción puede involucrar la colisión de más de dos partículas , pero debido a que la probabilidad de que tres o más núcleos se encuentren simultáneamente en el mismo lugar es mucho menor que la de dos núcleos, tal evento es excepcionalmente raro (véase el proceso alfa triple como ejemplo muy similar a una reacción nuclear de tres cuerpos). El término "reacción nuclear" puede referirse tanto a un cambio en un nucleido inducido por la colisión con otra partícula como a un cambio espontáneo de un nucleido sin colisión.

Las reacciones nucleares naturales ocurren en la interacción entre los rayos cósmicos y la materia, y pueden emplearse artificialmente para obtener energía nuclear a un ritmo ajustable y bajo demanda. Las reacciones nucleares en cadena en materiales fisionables producen fisión nuclear inducida . Diversas reacciones de fusión nuclear de elementos ligeros impulsan la producción de energía del Sol y las estrellas. La mayoría de las reacciones nucleares (fusión y fisión) resultan en la transmutación de núcleos (también llamada transmutación nuclear ).

Historia

En 1919, Ernest Rutherford logró la transmutación de nitrógeno en oxígeno en la Universidad de Manchester, utilizando partículas alfa dirigidas al nitrógeno: ¹⁴ N + α → ¹⁷ O + p. Esta fue la primera observación de una reacción nuclear inducida, es decir, una reacción en la que se utilizan partículas de una desintegración para transformar otro núcleo atómico. Posteriormente, en 1932, en la Universidad de Cambridge, los colegas de Rutherford, John Cockcroft y Ernest Walton , lograron una reacción nuclear y transmutación nuclear completamente artificiales, utilizando protones acelerados artificialmente contra litio-7 para dividir el núcleo en dos partículas alfa. Esta hazaña se conoció popularmente como "la división del átomo ", aunque no se trataba de la reacción de fisión nuclear moderna descubierta más tarde (en 1938) en elementos pesados por los científicos alemanes Otto Hahn , Lise Meitner y Fritz Strassmann . ^{[ 1 ]}

Ecuaciones de reacciones nucleares

Las reacciones nucleares pueden representarse de forma similar a las ecuaciones químicas, en las que la masa invariante debe mantenerse constante en ambos lados de la ecuación, y en las que las transformaciones de partículas deben seguir ciertas leyes de conservación, como la conservación de la carga y del número bariónico ( número de masa atómica total ). A continuación se muestra un ejemplo de esta notación:

⁶₃ Li +² ₁ H→⁴ ₂ Él+?.

Para equilibrar la ecuación anterior de masa, carga y número másico, el segundo núcleo a la derecha debe tener número atómico 2 y número másico 4; por lo tanto, también es helio-4. La ecuación completa queda, por consiguiente:

⁶₃ Li +² ₁ H→⁴ ₂ Él+⁴ ₂ Él.

o, más sencillamente:

⁶₃ Li +² ₁ H→2⁴ ₂ He.

En lugar de utilizar las ecuaciones completas del estilo anterior, en muchas situaciones se emplea una notación compacta para describir las reacciones nucleares. Este estilo, de la forma A(b,c)D, es equivalente a A + b produciendo c + D. Las partículas ligeras comunes suelen abreviarse con esta notación, típicamente p para protón, n para neutrón, d para deuterón , α para partícula alfa o helio-4 , β para partícula beta o electrón, γ para fotón gamma , etc. La reacción anterior se escribiría como ⁶ Li(d,α)α. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}

conservación de la energía

La energía cinética puede liberarse durante el transcurso de una reacción ( reacción exotérmica ) o puede ser necesario suministrarla para que la reacción tenga lugar ( reacción endotérmica ). Esto se puede calcular consultando una tabla de masas en reposo de partículas muy precisas, ^{[ 4 ]} de la siguiente manera: según las tablas de referencia, el núcleo de ⁶₃ Li tiene un peso atómico estándar de 6,015 daltons (símbolo Da), el deuterio tiene 2,014 Da y el núcleo de helio-4 tiene 4,0026 Da. Por lo tanto:

la suma de las masas en reposo de los núcleos individuales = 6,015 Da + 2,014 Da = 8,029 Da;
la masa en reposo total de los dos núcleos de helio = 2 × 4,0026 Da = 8,0052 Da;
masa en reposo faltante = 8,029 Da - 8,0052 Da = 0,0238 Da.

En una reacción nuclear, la energía total (relativista) se conserva . Por lo tanto, la masa en reposo "faltante" debe reaparecer como energía cinética liberada en la reacción; su fuente es la energía de enlace nuclear. Utilizando la fórmula de equivalencia masa-energía de Einstein E = mc² , se puede determinar la cantidad de ^energía liberada. Primero necesitamos el equivalente energético de un dalton :

1 Da c ² = (1,66054 × 10 ⁻²⁷ kg) × (2,99792 × 10 ⁸ m/s) ²

= 1,49242 × 10 ⁻¹⁰ kg (m/s) ²

= 1,49242 × 10 ⁻¹⁰J

= 931,49 MeV (1 MeV = 1,602176634×10 ⁻¹³ J),

entonces 1 Da c ² = 931,49 MeV.

Por lo tanto, la energía liberada es 0,0238 × 931 MeV = 22,2 MeV .

Dicho de otra manera: la masa se reduce en un 0,3%, lo que corresponde al 0,3% de 90 PJ/kg, que son 270 TJ/kg.

Se trata de una gran cantidad de energía para una reacción nuclear; esta cantidad es tan elevada porque la energía de enlace por nucleón del núcleo de helio-4 es inusualmente alta, ya que el núcleo de He-4 es " doblemente mágico ". (El núcleo de He-4 es inusualmente estable y está fuertemente ligado por la misma razón que el átomo de helio es químicamente inerte : cada par de protones y neutrones en el He-4 ocupa un orbital nuclear 1s lleno , del mismo modo que el par de electrones en el átomo de helio ocupa un orbital electrónico 1s lleno ). En consecuencia, las partículas alfa aparecen con frecuencia en el lado derecho de las reacciones nucleares.

La energía liberada en una reacción nuclear puede aparecer principalmente de tres maneras:

energía cinética de las partículas del producto (fracción de la energía cinética de los productos de reacción nuclear cargados puede convertirse directamente en energía electrostática); ^{[ 5 ]}
emisión de fotones de muy alta energía , llamados rayos gamma ;
Es posible que quede algo de energía en el núcleo, como un nivel de energía metaestable .

Cuando el núcleo del producto es metaestable, esto se indica colocando un asterisco ("*") junto a su número atómico. Esta energía finalmente se libera a través de la desintegración nuclear .

También puede liberarse una pequeña cantidad de energía en forma de rayos X. Generalmente, el núcleo resultante tiene un número atómico diferente, por lo que la configuración de sus capas electrónicas es incorrecta. A medida que los electrones se reorganizan y descienden a niveles de energía inferiores, pueden emitirse rayos X de transición interna (rayos X con líneas de emisión definidas con precisión).

Valor Q y balance energético

Al escribir la ecuación de reacción, de forma análoga a una ecuación química , se puede, además, indicar la energía de reacción en el lado derecho:

Núcleo objetivo + proyectil → Núcleo final + eyección + Q .

Para el caso particular analizado anteriormente, la energía de reacción ya se ha calculado como Q = 22,2 MeV. Por lo tanto:

⁶₃ Li +² ₁ H→2⁴ ₂ He+22,2MeV.

La energía de reacción (el "valor Q") es positiva para las reacciones exotérmicas y negativa para las endotérmicas, a diferencia de la expresión similar en química . Por un lado, es la diferencia entre la suma de las energías cinéticas en el extremo inicial y en el extremo final. Pero, por otro lado, también es la diferencia entre las masas nucleares en reposo en el extremo inicial y en el extremo final (de esta manera, hemos calculado el valor Q anteriormente).

Velocidades de reacción

Si la ecuación de reacción está balanceada, eso no significa que la reacción realmente ocurra. La velocidad a la que ocurren las reacciones depende de la energía y el flujo de las partículas incidentes, así como de la sección transversal de reacción . Un ejemplo de un gran repositorio de velocidades de reacción es la base de datos REACLIB, mantenida por el Instituto Conjunto de Astrofísica Nuclear .

Partículas cargadas frente a partículas sin carga

En la colisión inicial que da comienzo a la reacción, las partículas deben acercarse lo suficiente para que la fuerza nuclear fuerte de corto alcance pueda afectarlas. Dado que la mayoría de las partículas nucleares comunes tienen carga positiva, esto significa que deben superar una considerable repulsión electrostática antes de que pueda comenzar la reacción. Incluso si el núcleo objetivo forma parte de un átomo neutro , la otra partícula debe penetrar mucho más allá de la nube electrónica y acercarse al núcleo, que tiene carga positiva. Por lo tanto, dichas partículas deben ser aceleradas primero a alta energía, por ejemplo, mediante:

aceleradores de partículas ;
desintegración nuclear (las partículas alfa son el principal tipo de interés aquí, ya que los rayos beta y gamma rara vez participan en las reacciones nucleares);
temperaturas muy elevadas, del orden de millones de grados, que producen reacciones termonucleares ;
rayos cósmicos .

Además, dado que la fuerza de repulsión es proporcional al producto de las dos cargas, las reacciones entre núcleos pesados son menos frecuentes y requieren una mayor energía de iniciación que las que se producen entre un núcleo pesado y uno ligero; mientras que las reacciones entre dos núcleos ligeros son las más comunes.

Por otro lado, los neutrones carecen de carga eléctrica que provoque repulsión y pueden iniciar una reacción nuclear a energías muy bajas. De hecho, a energías de partículas extremadamente bajas (que corresponden, por ejemplo, al equilibrio térmico a temperatura ambiente ), la longitud de onda de De Broglie del neutrón aumenta considerablemente, lo que posiblemente incremente notablemente su sección transversal de captura, a energías cercanas a las resonancias de los núcleos involucrados. Por lo tanto, los neutrones de baja energía pueden ser incluso más reactivos que los de alta energía.

Tipos notables

Si bien el número de reacciones nucleares posibles es inmenso, existen varios tipos que son más comunes o que destacan por otras razones. Algunos ejemplos incluyen:

Reacciones de fusión : dos núcleos ligeros se unen para formar uno más pesado, emitiéndose posteriormente partículas adicionales (generalmente protones o neutrones).
Espalación : un núcleo es golpeado por una partícula con la energía y el momento suficientes para desprender varios fragmentos pequeños o hacerlo estallar en muchos fragmentos.
La emisión gamma inducida pertenece a una clase en la que solo los fotones intervienen en la creación y destrucción de estados de excitación nuclear.
Reacciones de fisión : un núcleo muy pesado, tras absorber partículas ligeras adicionales (generalmente neutrones), se divide en dos o, a veces, tres fragmentos. Esta es una reacción nuclear inducida. La fisión espontánea , que ocurre sin la intervención de un neutrón, generalmente no se considera una reacción nuclear. En el mejor de los casos, no es una reacción nuclear inducida .

Reacciones directas

Un proyectil de energía intermedia transfiere energía, capta o pierde nucleones en el núcleo en un único evento rápido (10⁻²¹ ^segundos ). La transferencia de energía y momento es relativamente pequeña. Estos fenómenos son particularmente útiles en física nuclear experimental, ya que los mecanismos de reacción suelen ser lo suficientemente simples como para calcularlos con la precisión necesaria para estudiar la estructura del núcleo objetivo.

Dispersión inelástica

Solo se transfieren energía y momento.

(p,p') prueba las diferencias entre los estados nucleares.
La técnica (α,α') mide la forma y el tamaño de la superficie nuclear. Dado que las partículas α que impactan el núcleo reaccionan con mayor violencia, la dispersión elástica e inelástica superficial de α es sensible a la forma y el tamaño de los objetivos, al igual que la luz dispersada por un pequeño objeto negro.
La técnica (e,e') es útil para sondear la estructura interna. Dado que los electrones interactúan con menos intensidad que los protones y neutrones, alcanzan los centros de los blancos y sus funciones de onda se distorsionan menos al pasar a través del núcleo.

Reacciones de intercambio de carga

Se produce una transferencia de energía y carga entre el proyectil y el objetivo. Algunos ejemplos de este tipo de reacciones son:

(p,n)
( ³ He,t)

Reacciones de transferencia de nucleones

Generalmente, a energías moderadamente bajas, uno o más nucleones se transfieren entre el proyectil y el blanco. Esto resulta útil para estudiar la estructura de la capa externa de los núcleos. Pueden ocurrir las siguientes reacciones de transferencia:

desde el proyectil hasta el objetivo: reacciones de desprendimiento
desde el objetivo hasta el proyectil: reacciones de recogida

Ejemplos:

Reacciones (α,n) y (α,p). Algunas de las primeras reacciones nucleares estudiadas involucraron una partícula alfa producida por desintegración alfa , que expulsa un nucleón de un núcleo objetivo.
Reacciones (d,n) y (d,p). Un haz de deuterones incide sobre un blanco; los núcleos del blanco absorben el neutrón o el protón del deuterón. El deuterón está tan débilmente ligado que esto es casi equivalente a la captura de un protón o un neutrón. Puede formarse un núcleo compuesto, lo que conlleva la emisión más lenta de neutrones adicionales. Las reacciones (d,n) se utilizan para generar neutrones energéticos.
La reacción de intercambio de extrañeza ( K , π ) se ha utilizado para estudiar hipernúcleos .
La reacción ¹⁴ N(α,p) ¹⁷ O realizada por Rutherford en 1917 (informada en 1919), se considera generalmente como el primer experimento de transmutación nuclear .

Reacciones con neutrones

Las reacciones con neutrones son importantes en los reactores nucleares y las armas nucleares . Si bien las reacciones con neutrones más conocidas son la dispersión de neutrones , la captura de neutrones y la fisión nuclear , para algunos núcleos ligeros (especialmente los núcleos impares-impares ) la reacción más probable con un neutrón térmico es una reacción de transferencia:

Algunas reacciones solo son posibles con neutrones rápidos :

Las reacciones (n,2n) producen pequeñas cantidades de protactinio-231 y uranio-232 en el ciclo del torio, que por lo demás está relativamente libre de productos de actínidos altamente radiactivos .
⁹ Be + n → 2α + 2n puede aportar algunos neutrones adicionales en el reflector de neutrones de berilio de un arma nuclear .
⁷ Li + n → T + α + n contribuyó inesperadamente con un rendimiento adicional en los disparos Bravo , Romeo y Yankee de la Operación Castle , las tres pruebas nucleares de mayor rendimiento realizadas por Estados Unidos.

Reacciones nucleares compuestas

O bien un proyectil de baja energía es absorbido, o bien una partícula de mayor energía transfiere energía al núcleo, dejándolo con demasiada energía para mantenerse completamente unido. En una escala de tiempo de aproximadamente 10⁻¹⁹ ^segundos , las partículas, generalmente neutrones, se separan. Es decir, el núcleo permanece unido hasta que se concentra suficiente energía en un neutrón para escapar de la atracción mutua. El núcleo cuasi-ligado excitado se denomina núcleo compuesto .

Baja energía (e, e' xn), (γ, xn) (donde xn indica uno o más neutrones), donde la energía gamma o gamma virtual está cerca de la resonancia dipolar gigante . Esto aumenta la necesidad de blindaje contra la radiación alrededor de los aceleradores de electrones .

Véase también

Referencias

↑ Cockcroft y Walton dividen el litio con protones de alta energía en abril de 1932. Archivado el 2 de septiembre de 2012 en la Wayback Machine.
↑ The Astrophysics Spectator: Tasas de fusión de hidrógeno en las estrellas
↑ Tilley, RJD (2004). Comprensión de los sólidos: La ciencia de los materiales . John Wiley and Sons . pág. 495. ISBN 0-470-85275-5.
↑ Suplee, Curt (23 de agosto de 2009). "Pesos atómicos y composiciones isotópicas con masas atómicas relativas" . NIST .
↑ Shinn, E.; et al. (2013). "Conversión de energía nuclear con pilas de nanocapacitores de grafeno". Complexity . 18 (3): 24– 27. Bibcode : 2013Cmplx..18c..24S . doi : 10.1002/cplx.21427 .

Fuentes

Schmitz, Taylor (1973). Física nuclear . Pergamon Press . ISBN 0-08-016983-X.
Bertulani, Carlos (2007). Física nuclear en pocas palabras . Princeton University Press . ISBN 978-0-691-12505-3.

[1] Cockcroft y Walton dividen el litio con protones de alta energía en abril de 1932. Archivado el 2 de septiembre de 2012 en la Wayback Machine.

[2] The Astrophysics Spectator: Tasas de fusión de hidrógeno en las estrellas

[3] Tilley, RJD (2004). Comprensión de los sólidos: La ciencia de los materiales . John Wiley and Sons . pág. 495. ISBN 0-470-85275-5.

[4] Suplee, Curt (23 de agosto de 2009). "Pesos atómicos y composiciones isotópicas con masas atómicas relativas" . NIST .

[5] Shinn, E.; et al. (2013). "Conversión de energía nuclear con pilas de nanocapacitores de grafeno". Complexity . 18 (3): 24– 27. Bibcode : 2013Cmplx..18c..24S . doi : 10.1002/cplx.21427 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]